数字全息三维面形检测研究

论文摘要

数字全息检测是激光无损检测技术的一个重要方法,其记录、存储、和再现过程全部采用数字化的方式。在形貌测量、微电路检测、应力场检测、生物细胞检测、变形和振动测量等领域,数字全息检测技术能够充分发挥其特点和优势,有着广泛的应用前景。随着机械微加工技术、微电子技术、生物技术、信息技术及材料科学的飞速发展,使得在很多科学技术领域中都需要对微小物体表面形貌做非接触和全场测量。光学测量法是一种被广泛应用的三维面形测量方法。常见的光学三维面形测量方法有：机器视觉法、位相测量轮廓术、光学三角法及傅里叶变换轮廓术等。但光学面形轮廓术仅适用于物体具有连续表面的情况。另外,低相关干涉术和波长扫描干涉术也仅适用于阶梯形和漫反射表面。这些方法对于外形小且复杂的三维面形(如MEMS器件)都不适用。数字全息检测技术可以实现实时非接触、大测量深度、高分辨率以及长工作距离的三维面形测量。它将干涉术与计算机三维成像功能结合起来,而且还很容易嵌入显微功能,非常适用于微小物体的三维面形测量。因此本文采用数字全息三维面形检测来实现微小物体的三维面形测量,并基于统计光学及标量衍射理论,推导了光学非平滑物体三维面形的检测公式,对所使用的改变照明物光角度方法的检测原理进行了简要讨论。对于提高数字全息再现像的质量,将零级亮斑和共轭像去除就显得尤为重要。因此,本文也着重讨论了数字全息中消除零级衍射光及共轭像的方法。此外,为适应对不同尺寸物体的数字全息检测,让物光场通过不同放大率的光学系统变换后再到达CCD是通常采取的措施。这时,物光场重建涉及光波通过一个光学系统的衍射计算问题。为能够实现物光穿越一个光学系统到达CCD的物光波面重建,基于相干光成像理论,我们还详细讨论了用经典的衍射积分进行物平面光波场波面重建的两种方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微系统工程概述
• 1.2 数字全息术
• 1.2.1 数字全息术的基本理论及应用
• 1.2.2 数字全息术的国内外发展动态
• 1.3 三维面形检测
• 1.3.1 三维面形检测的基本理论及应用
• 1.3.2 几种常见的光学三维面形测量技术
• 1.4 本论文主要的研究内容
• 第二章 数字全息的基本原理及干扰项的消除
• 2.1 光波的标量衍射理论
• 2.2 数字全息的记录与再现
• 2.2.1 传统光学全息的波前记录和再现
• 2.2.2 数字全息的波前记录和再现
• 2.2.3 数字全息的再现算法
• 2.3 数字全息中零级光和共轭项的消除
• 2.3.1 数字全息中零级光的消除
• 2.3.2 频域滤波法消除零级光和共轭光
• 2.3.3 相移法消除零级光和共轭光
• 2.3.4 消零级衍射光频域滤波法
• 2.4 数字全息物光场在像空间及物空间的重建研究
• 2.4.1 两种波面重建方法简述
• 2.4.2 像空间波面重建
• 2.4.3 物空间波面重建
• 2.4.4 波面重建实验研究
• 2.4.4.1 实验系统简介
• 2.4.4.2 像空间波面重建实验
• 2.4.4.3 物空间波面重建实验
• 2.4.5 两种方法重建物光场的相位比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 数字全息三维轮廓生成
• 3.1 前言
• 3.2 数字全息法三维形貌测量的依据
• 3.3 数字全息三维面形检测公式的统计光学讨论
• 3.3.1 数字全息三维面形检测公式
• 3.3.2 数字全息三维面形检测的实现
• 3.4 照明物光角度变化的检测原理
• 3.5 本章小结
• 第四章 数字全息三维面形检测中照明物光转角的简易测试
• 4.1 前言
• 4.2 照明物光倾角及转角的测量误差对比
• 4.3 实验证明
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的学术论文情况